DE29901824U1

DE29901824U1 - collector

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Publication number: DE29901824U1
Application number: DE29901824U
Authority: DE
Original assignee: SIEVEKE MATTHIAS DIPL ING ARCH
Current assignee: SIEVEKE MATTHIAS DIPL ING ARCH
Priority date: 1999-02-03
Filing date: 1999-02-03
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2009-02-04

Description

Kollektorcollector

Die Erfindung betrifft einen Niedertemperatur-Sonnenkollektor, nachfolgend Kollektor genannt, für ein solarthermisches System zur Gewinnung von Wärmeenergie aus Sonnenstrahlung und/oder zur Stabilisierung von Innenraumtemperaturschwankungen in Gebäuden. Diese Kollektoren bestehen z. B. aus Metall und/oder Kunststoffen bzw. Verbundwerkstoffen und enthalten &zgr;. B. ein flüssiges Medium, das zum Wärmeaustausch, -speicherung und/oder -transport dient.The invention relates to a low-temperature solar collector, hereinafter referred to as collector, for a solar thermal system for obtaining thermal energy from solar radiation and/or for stabilizing indoor temperature fluctuations in buildings. These collectors consist, for example, of metal and/or plastics or composite materials and contain, for example, a liquid medium that serves for heat exchange, storage and/or transport.

Die der Sonne zugewendete Wandung des Kollektors muß eine gute Strahlenabsorption und eine gute Wärmeleitung aufweisen. Um die Strahlenabsorption gegenüber herkömmlichen Oberflächen zu verbessern, sind aus dem Stand der Technik u. a. Absorptionsfarben oder -beschichtungen bekannt, die auf die Oberfläche einer Strahlen absorbierenden Wandungsoberfläche aufgetragen werden.The wall of the collector facing the sun must have good radiation absorption and good heat conduction. In order to improve radiation absorption compared to conventional surfaces, absorption paints or coatings are known from the state of the art, among other things, which are applied to the surface of a radiation-absorbing wall surface.

Kollektoren oder Solarwärmetauscher für verschiedene Anwendungen sind aus dem Stand der Technik in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt, wie z. B. in der DE 79 35 590 U1, DE 25 52 598 A1, US 42 01 188, DE-GM 76 03 143, GB 21 47 407 A, US 23 29 970, 30 48 499 A1 DE 27 29 573 A1 und US 48 67 134 ausführlich beschrieben ist.Collectors or solar heat exchangers for various applications are known from the state of the art in a wide variety of designs, as described in detail in DE 79 35 590 U1, DE 25 52 598 A1, US 42 01 188, DE-GM 76 03 143, GB 21 47 407 A, US 23 29 970, 30 48 499 A1 DE 27 29 573 A1 and US 48 67 134.

Bei der Wahl des Materials für die der Sonne zugewendete Wandung müssen unterschiedlichste Randbedingungen berücksichtigt werden. Wenn eine Wandung näherungsweise waagerecht angeordnet ist, wird diese lediglich durch ihr Eigengewicht auf Durchbiegung belastet. Im Gegensatz dazu drückt bei einer senkrechten Anordnung das flüssige Medium auf die Wandung, die somit gegen Auswölbung dimensioniert sein muß. Die erfordern-When choosing the material for the wall facing the sun, a wide range of boundary conditions must be taken into account. If a wall is arranged approximately horizontally, it is only subjected to deflection by its own weight. In contrast, if it is arranged vertically, the liquid medium presses on the wall, which must therefore be dimensioned to prevent bulging. The required

ehe Wandstärke hängt weiterhin noch von den Festigkeitseigenschaften des Materials und der konstruktiven Ausgestaltung ab. Wenn z. B. hochfestes Blech verwendet wird, kann die Wandstärke entsprechend dünn ausgeführt sein, wodurch ein kurzer Wärmeleitweg und somit ein guter Wärmeübergang in das flüssige Medium gegeben sind.The wall thickness also depends on the strength properties of the material and the structural design. If, for example, high-strength sheet metal is used, the wall thickness can be made correspondingly thin, which ensures a short heat conduction path and thus good heat transfer into the liquid medium.

Geeignet sind daher Bleche aus hochfesten Legierungen, wie z. B. Edelstahl oder Aluminium. Es können jedoch auch Kunststoffe oder Verbundwerkstoffe eingesetzt werden, wenn sie vergleichbare Festigkeitseigenschaften aufweisen.Sheets made of high-strength alloys, such as stainless steel or aluminum, are therefore suitable. However, plastics or composite materials can also be used if they have comparable strength properties.

Diese Materialien haben vorwiegend einen hohen Reflexionsgrad und somit ein geringes Absorptionsvermögen. Daher muß auf diese Oberflächen eine eingangs erwähnte Absorptionsschicht aufgetragen werden, die die Ober-5 flächen schwarz oder dunkel erscheinen läßt.These materials generally have a high degree of reflection and therefore a low absorption capacity. Therefore, an absorption layer as mentioned above must be applied to these surfaces, which makes the surfaces appear black or dark.

Wenn jedoch die Wandungen der Kollektoren Bestandteil der Außenfassade von Gebäuden sind, stören bzw. beeinflussen diese dunklen Flächen den ästhetischen Gesamteindruck der Fassade.However, if the walls of the collectors are part of the external facade of buildings, these dark surfaces disturb or influence the overall aesthetic impression of the facade.

Es ist demzufolge die Aufgabe der Erfindung, einen Kollektor zur Gewinnung von Sonnenenergie zu schaffen, der sich vorteilhaft auch zur Integration in senkrechte Gebäudefassaden eignet und vorstehend~genannte Nachteile überwindet.It is therefore the object of the invention to create a collector for generating solar energy, which is also advantageously suitable for integration into vertical building facades and overcomes the above-mentioned disadvantages.

Die Aufgabe wird mit einem Kollektor nach Anspruch 1 gelöst.The object is achieved with a collector according to claim 1.

Nach Anspruch 1 weist ein Kollektor, der zur Anordnung an vorzugsweise senkrechten oder schwach geneigten Bauwerksfassaden vorgesehen ist, folgende Merkmale auf: Die Außenseite des Kollektors hat horizontal verlaufende Vorsprünge, die im Einbauzustand näherungsweise waagerechtAccording to claim 1, a collector which is intended for installation on preferably vertical or slightly inclined building facades has the following features: The outside of the collector has horizontally extending projections which are approximately horizontal when installed

verlaufen. Der Querschnitt der Vorsprünge ist vorzugsweise dreieckförmig bis sinusförmig ausgebildet, wobei auch Zwischenformen möglich sind. Die Form wird bezüglich der technologischen Fertigungsmöglichkeiten und der damit verbundenen Herstellungskosten und dem gewünschten Wirkungsgrad des Kollektors optimiert. Die nach oben gerichtete, der Sonne zugewendete Oberseite der Vorsprünge weist eine Absorptionsschicht auf. Die nach unten gerichtete Unterseite hat keine Absorptionsschicht und kann den architektonischen Bedürfnissen entsprechend frei gestaltet sein.The cross-section of the projections is preferably triangular to sinusoidal, although intermediate shapes are also possible. The shape is optimized in terms of technological manufacturing options and the associated manufacturing costs and the desired efficiency of the collector. The top side of the projections facing upwards, towards the sun, has an absorption layer. The bottom side facing downwards has no absorption layer and can be freely designed according to architectural needs.

Der Gegenstand nach Anspruch 1 weist folgende Funktion und Vorteile auf:The subject matter according to claim 1 has the following function and advantages:

Wenn der Kollektor, wie vorgesehen, in oder an einer von der Sonne bestrahlten Fassade angeordnet ist, treffen die schräg einfallenden Sonnenstrahlen auf die Oberseite der Vorsprünge auf und werden in Wärme umgesetzt wird, die dann an das Wärmetauschermedium, mit dem der Kollektor gefüllt ist, weitergeleitet wird.If the collector is arranged, as intended, in or on a sunlit facade, the obliquely incident sun rays hit the top of the projections and are converted into heat, which is then passed on to the heat exchange medium with which the collector is filled.

Wenn ein Betrachter von einem erhöhten Standpunkt aus auf die Oberseite der Vorsprünge blickt, sieht er eine geschlossene dunkle Fläche. Von einem gleich hohen Standpunkt aus sieht der Betrachter ein Muster mit waagerechten dunklen Streifen. Wenn der Betrachter von einem unteren Standpunkt, z. B. von der Straße aus, nach oben auf den Kollektor sieht, sind die dunklen Oberseiten der Vorsprünge verdeckt, d. h. nicht einsehbar und können somit auch nicht den architektonischen Eindruck der Fassade stören. If an observer looks at the top of the projections from an elevated position, he sees a closed dark surface. From a position at the same height, the observer sees a pattern with horizontal dark stripes. If the observer looks up at the collector from a lower position, e.g. from the street, the dark tops of the projections are hidden, i.e. not visible and therefore cannot disturb the architectural impression of the facade.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Vorsprünge gleichzeitig auch eine versteifende Wirkung haben, wie sie z. B. von Sicken bekannt ist. Insofern kann die Materialstärke der Außenwandung relativ gering gewählt werden. Die Kombination dieser zwei Effekte bildet den besonderen Nutzen des Erfindungsgegenstandes.Another significant advantage is that the projections also have a stiffening effect, as is known from beads, for example. In this respect, the material thickness of the outer wall can be chosen to be relatively low. The combination of these two effects is the special benefit of the subject matter of the invention.

Der Kollektor nach Anspruch 2 ist vorteilhaft weitergebildet, in dem die Oberseite der Vorsprünge so ausgerichtet ist, daß die Sonnenstrahlung in einem möglichst steilen Winkel einfällt. Es hängt von den gewünschten Betriebsbedingungen des Wärmegewinnungssystems ab, zu welcher bevorzugten Jahres- oder Tageszeit die Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt werden soll. Bei der Wahl der optimalen Ausrichtung sind folgende Faktoren zu beachten: Die Ausrichtung der Fassade zum Sonnenstand bzw. zur relativen Sonnenwanderung und der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung, die von der Jahres- und Tageszeit abhängen. Ferner sind u. U. die Einbauhöhe und der Einbauort zu beachten. Das ist dann der Fall, wenn z. B. zu bestimmten Zeitpunkten eine Abschattung durch andere Gebäude vorliegt. In diesem Fall kann die Ausrichtung der Oberseite z. B. so gewählt werden, daß lediglich für die Zeit, in der keine Abschattung besteht, möglichst lange optimale Einstrahlungsverhältnisse bestehen.The collector according to claim 2 is advantageously further developed in that the top of the projections is aligned so that the solar radiation hits at the steepest possible angle. The preferred time of year or day at which the solar radiation should be converted into heat depends on the desired operating conditions of the heat recovery system. When choosing the optimal alignment, the following factors must be taken into account: the alignment of the facade to the position of the sun or the relative movement of the sun and the angle of incidence of the solar radiation, which depend on the time of year and day. The installation height and the installation location must also be taken into account. This is the case, for example, if there is shading by other buildings at certain times. In this case, the alignment of the top can be chosen, for example, so that optimal radiation conditions exist for as long as possible only for the time when there is no shading.

Der Kollektor nach Anspruch 3 ist vorteilhaft so weitergebildet, daß die Unterseite der Vorsprünge so breit gewählt wird, daß für einen Betrachter von einem gewöhnlichen Standpunkt aus die Oberseite nicht einsehbar ist. Diese Maßnahme wird dann vorgesehen, wenn aus ästhetischen bzw. architektonischen Gründen die dunkle Absorptionsschicht für einen Betrachter auch nicht teilweise sichtbar sein soll.The collector according to claim 3 is advantageously developed in such a way that the underside of the projections is chosen to be so wide that the top side cannot be seen by an observer from a normal point of view. This measure is provided when, for aesthetic or architectural reasons, the dark absorption layer should not be partially visible to an observer.

Der Kollektor nach Anspruch 4 ist vorteilhaft so weitergebildet, daß die Materialstärke an der Unterseite der Vorsprünge größer ist als an deren Oberseite. Wenn die Materialstärken unterschiedlich sind, wird durch eine Materialverstärkung der Unterseite die Steifigkeit des plattenförmigen Kollektors erhöht, was bautechnisch von Vorteil ist. Eine Verringerung der Wandstärke der Oberseite bewirkt dagegen einen verbesserten Wärmeübergang, was den Wirkungsgrad des Kollektors verbessert.The collector according to claim 4 is advantageously developed in such a way that the material thickness on the underside of the projections is greater than on their upper side. If the material thicknesses are different, the stiffness of the plate-shaped collector is increased by material reinforcement on the underside, which is advantageous from a construction point of view. Reducing the wall thickness on the upper side, on the other hand, results in improved heat transfer, which improves the efficiency of the collector.

Bei einem Kollektor nach Anspruch 5 sind an der Rückseite der Außenseite, d. h. innerhalb des Kollektors versteifend wirkende Stege oder Verstrebungen angeordnet. Bei dieser Weiterbildung kann die Materialstärke der Wandung und besonders die der Oberseite noch dünner ausgeführt werden. Weiterhin begünstigen die in das flüssige Medium hineinragenden Stege oder Verstrebungen die Wärmeübertragung von der Außenseite in das Medium. Wenn die Stege gezielt zum Wärmeaustausch ausgebildet sind, kann der Wirkungsgrad des Kollektors noch weiter erhöht werden.In a collector according to claim 5, stiffening webs or struts are arranged on the back of the outside, i.e. inside the collector. With this development, the material thickness of the wall and especially that of the top can be made even thinner. Furthermore, the webs or struts protruding into the liquid medium promote heat transfer from the outside into the medium. If the webs are specifically designed for heat exchange, the efficiency of the collector can be increased even further.

Bei einem Kollektor nach Anspruch 6 hat die Oberseite der Vorsprünge Auswölbungen und/oder Einbuchtungen. Mit dieser Maßnahme wird die Absorptionsfläche nochmals vergrößert und somit der Wirkungsgrad des Kollektors noch weiter erhöht.In a collector according to claim 6, the top of the projections has bulges and/or indentations. This measure further increases the absorption surface and thus further increases the efficiency of the collector.

Bei einem Kollektor nach Anspruch 7 besteht die Außenseite aus einem Edelstahl- oder einem hochfesten Aluminiumblech. Diese Materialien werden als Massenware zu einem geringen Preis angeboten, da die Technologien zur Fertigung von profilierten Blechen sehr ausgereift sind, weshalb auch leicht unterschiedlichste Formen bzw. Querschnitte erzeugt werden können, wie es für die Ausführungsform nach Anspruch 2 erforderlich ist.In a collector according to claim 7, the outside consists of a stainless steel or high-strength aluminum sheet. These materials are offered as mass-produced goods at a low price, since the technologies for producing profiled sheets are very sophisticated, which is why a wide variety of shapes or cross-sections can easily be produced, as is required for the embodiment according to claim 2.

Bei einem Kollektor nach Anspruch 8 besteht die Außenseite aus einem UV-beständigen Kunststoff und/oder Verbundwerkstoff. Ebenso wie vorstehend genannte Metallbleche werden auch diese Materialien als preisgünstige Massenware angeboten oder können mittels ausgereifter Technologien gezielt und preisgünstig gefertigt werden.In a collector according to claim 8, the outside consists of a UV-resistant plastic and/or composite material. Like the metal sheets mentioned above, these materials are also offered as inexpensive mass-produced goods or can be manufactured specifically and inexpensively using sophisticated technologies.

Nach Anspruch 9 ist der Kollektor einstückig und als Plattenkörper ausgebildet. Diese Bauform läßt sich gut automatisiert produzieren und als einstückiges Bauteil ohne größeren Aufwand in eine Fassade einbauen.According to claim 9, the collector is designed as a single piece and as a plate body. This design can be easily produced automatically and installed as a single piece component in a facade without any major effort.

I :I:

• V• V

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und von Zeichnungen näher erläutert:The invention is explained in more detail below using an embodiment and drawings:

Fig. 1 zeigt eine Gebäudefassade, an der die Erfindung angeordnetFig. 1 shows a building facade on which the invention is arranged

ist.is.

Fig. 2 zeigt die Seitenansicht der Erfindung.Fig. 2 shows the side view of the invention.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt dieser Seitenansicht imFig. 3 shows an enlarged section of this side view in

Querschnitt.Cross-section.

Fig. 4 u. 5 zeigen die Vorderansichten der Erfindung aus unterschiedli-Fig. 4 and 5 show the front views of the invention from different

chen Betrachtungswinkeln.different viewing angles.

Die Fig. 1 zeigt einen Abschnitt einer Gebäudefassade 1, in die drei erfindungsgemäße Kollektoren 2 integriert sind. Die Kollektoren 2 sind in diesem Beispiel jeweils in einer Höhe von 3 m über dem Straßenniveau angeordnet.Fig. 1 shows a section of a building facade 1 into which three collectors 2 according to the invention are integrated. In this example, the collectors 2 are each arranged at a height of 3 m above street level.

Die Fig. 2 zeigt die Seitenansicht der Erfindung aus der Blickrichtung des Pfeils A aus Fig. 1. Eine Außenseite 3 des Kollektors 2 weist im wesentlichen horizontal und parallel verlaufende Vorsprünge 4 mit einem Dreieck-Querschnitt auf, wobei die Oberseiten 5 nach der Sonne ausgerichtet sind und Bezugszeichen 6 die Unterseiten bezeichnet.Fig. 2 shows the side view of the invention from the direction of the arrow A in Fig. 1. An outer side 3 of the collector 2 has essentially horizontal and parallel projections 4 with a triangular cross-section, the upper sides 5 being aligned towards the sun and reference numeral 6 designating the lower sides.

Aus Fig. 3 ist die Geometrie der Vorsprünge 4 deutlich erkennbar. Ein Pfeil 7 zeigt eine Emfallsrichtung der Sonnenstrahlung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt. Es ist zu erkennen, daß die Einfallsrichtung nahezu senkrecht zur Oberseite 5 verläuft, da der durch den Doppelpfeil bezeichnete Winkel zu einer Lotrechten 8 relativ klein ist. Auf den Oberseiten 5 ist eine Absorptionsschicht 9 aufgebracht, deren Wirkung bereits beschrieben wurde. Mit dem Bezugszeichen 10 ist das flüssige Medium bezeichnet, das zur Speicherung und/oder zum Transport der Wärme vorgesehen ist. Da die Funktion dieser Kollektoren an sich dem Fachmann bekannt ist, kann auf eine nähere Erklärung in diesem Punkt verzichtet werden.The geometry of the projections 4 is clearly visible in Fig. 3. An arrow 7 shows a direction of incidence of the solar radiation at a predetermined time. It can be seen that the direction of incidence is almost perpendicular to the top side 5, since the angle indicated by the double arrow to a vertical line 8 is relatively small. An absorption layer 9 is applied to the top sides 5, the effect of which has already been described. The reference number 10 designates the liquid medium that is intended for storing and/or transporting the heat. Since the function of these collectors is known to those skilled in the art, a more detailed explanation on this point can be dispensed with.

• ··

Wenn ein Betrachter, z. B. ein Fußgänger, an der Gebäudefassade 1 entlang geht, blickt er aus einer in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 11 bezeichneten Richtung auf die perspektivisch verkürzte Außenseite 3 und sieht dabei nur die Unterseiten 6, die nicht mit der Absorptionsschicht 9 versehen sind. Der Betrachter blickt auf eine im wesentlichen helle Platte mit schmalen waagerechten Linien, wie in Fig. 4 gezeigt. Diese von unten sichtbaren Abschnitte können auch eingefärbt sein, so daß sie gezielt als architektonisches Merkmal eingesetzt werden können.When an observer, e.g. a pedestrian, walks along the building facade 1, he looks from a direction designated by the reference number 11 in Fig. 2 onto the perspectively foreshortened outside 3 and sees only the undersides 6, which are not provided with the absorption layer 9. The observer looks at a substantially light-colored panel with narrow horizontal lines, as shown in Fig. 4. These sections visible from below can also be colored so that they can be used specifically as an architectural feature.

Im Vergleich dazu würde ein Betrachter, dessen Blickrichtung der Richtung der Sonnenstrahlung entspricht, eine dunkle Fläche nach Fig. 5 sehen.In comparison, an observer looking in the same direction as the solar radiation would see a dark area as shown in Fig. 5.

Wenn die Materialstärke im Bereich der Oberseiten 5 besonders gering ist, ergibt sich durch die kurzen Wärmeleitwege ein guter Wirkungsgrad, jedoch verringert sich dadurch die mechanische Stabilität des Kollektors. Um diesen Nachteil auszugleichen, wurde in diesem Beispiel die Materialstärke im Bereich der Unterseiten 6 größer gewählt (auf Zeichnung nicht gezeigt), wodurch sich die mechanische Stabilität wieder erhöht.If the material thickness in the area of the top sides 5 is particularly low, the short heat conduction paths result in good efficiency, but this reduces the mechanical stability of the collector. To compensate for this disadvantage, in this example the material thickness in the area of the bottom sides 6 was chosen to be greater (not shown in the drawing), which again increases the mechanical stability.

Es ist dem Fachmann klar, daß es eine Reihe von Weiterbildungen der Erfindung gibt. Insbesondere gibt es verschiedene Profilierungen der Wandung, z. B. Sinuswellen förmig, die auf Grund der Vielzahl von Möglichkeiten nicht alle beschrieben werden können, jedoch der im Anspruch 1 offenbarten technischen Lehre folgen und somit auch in den Schutzbereich der Erfindung fallen.It is clear to the person skilled in the art that there are a number of further developments of the invention. In particular, there are various profiles of the wall, e.g. sine wave-shaped, which cannot all be described due to the large number of possibilities, but which follow the technical teaching disclosed in claim 1 and thus also fall within the scope of protection of the invention.

Claims

Expectations

1. Collector (2) for installation on or in approximately vertical building facades (1) with an outer side (3) intended for the generation of solar energy, which has the following features:

- a plurality of projections (4) running horizontally in the installed state, which are approximately triangular or sinusoidal in cross-section, wherein

- the upwardly directed upper side (5) of the projections (4) facing the sun has an absorption layer (9) and

- the downward-facing underside (6) of the projections (4) has a freely selectable color or surface structure.

2. Collector according to claim 1, characterized in that the surface geometry of the upper side (5) is selected for given installation conditions such that the solar radiation is incident approximately perpendicularly on the upper side (5) for as long as possible in predetermined seasons and at predetermined times of day.

3. Collector according to claim 1 or 2, characterized in that, depending on a predetermined viewing point (11), the width of the underside (6) is selected such that the upper side (5) is not visible to the observer.

4. Collector according to one of the preceding claims, characterized in that the material thickness of the underside (6) is greater than that of the upper side (5).

5. Collector according to one of the preceding claims, characterized in that the rear side of the outer side (3) has stiffening webs or struts.

6. Collector according to one of the preceding claims, characterized in that the outer side (3) has bulges and/or indentations in order to enlarge the absorption surface.

7. Collector according to one of the preceding claims, characterized in that the outer side (3) is a stainless steel or a high-strength aluminum sheet.

8. Collector according to one of the preceding claims, characterized in that the outer side (3) is a UV-resistant plastic and/or composite material.

9. Collector according to one of the preceding claims, characterized in that the collector is integrally formed as a plate body.